高強度鋼成形技術(shù)及車身輕量化應(yīng)用

羅培鋒 楊萬慶 陳東 呂奉陽

摘 要：高強度鋼是車身輕量化的主要材料，高強度鋼成形技術(shù)是其在車身上應(yīng)用的關(guān)鍵。文章在介紹高強度鋼分類的基礎(chǔ)上，綜述了冷沖壓成形、熱沖壓成形、輥壓成形、液壓成形、變厚板成形技術(shù)的工藝原理、技術(shù)特點和發(fā)展動態(tài)，簡述了高強度鋼在國內(nèi)外車身輕量化項目及歐洲車身會議上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高強度鋼;成形技術(shù);車身輕量化

中圖分類號：U463.82 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-170-06

Abstract： High strength steel is the main material of body lightweight， and the forming technology of high strength steel is the key to its application in body. Based on the introduction of the classification of high strength steel， the technological principle， technical characteristics and development trends of cold stamping， hot stamping， rolling， hydraulic forming and variable thickness plate forming technologies are summarized. The applications of high strength steel in vehicle body lightweight projects both at home and abroad and ECB conference are briefly described.

Keywords： High strength steel; Forming technology; Body lightweight

CLC NO.： U463.82 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-170-06

前言

根據(jù)GB 27999—2014《乘用車燃料消耗量評價方法及指標(biāo)》，2020年生產(chǎn)的乘用車百公里平均燃料消耗量由6.9L降至5.0L[1]。研究表明，2020年中國市場推出的新車，質(zhì)量每降低100kg，百公里油耗降低0.445L[2]。車身輕量化是節(jié)能減排的有效手段。車身輕量化途徑主要包括三個方面：輕量化材料應(yīng)用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和先進制造工藝。輕量化材料的主要研究方向有兩個，一是采用低密度材料替代鋼鐵材料，如鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料等;二是使用高強度鋼降低料厚實現(xiàn)輕量化[3]。由于高強度鋼具有優(yōu)異的性價比、先進的成形工藝和長期積累的制造技術(shù)優(yōu)勢，同時考慮到整車研發(fā)效率和成本因素，決定了當(dāng)前階段車身輕量化技術(shù)的主要方向是高強度鋼及先進成形技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用[4]。

1 高強度鋼分類

1.1 按強度分類

國際鋼鐵協(xié)會按屈服強度進行分類，將屈服強度在210～550MPa范圍內(nèi)的鋼定義為高強度鋼，屈服強度在550MPa以上的鋼定義為超高強度鋼。日系汽車一般按抗拉強度進行分類，將抗拉強度在340～780MPa范圍內(nèi)的鋼定義為高強度鋼，抗拉強度在780MPa以上的鋼定義為超高強度鋼。

1.2 按強化機理分類

根據(jù)強化機理的不同，高強度鋼可分為普通高強度鋼和先進高強度鋼。普通高強度鋼以固溶強化、析出強化和細(xì)化晶粒等為主要強化手段。普通高強度鋼主要包括高強度無間隙原子鋼、各向同性鋼、烘烤硬化鋼、低合金高強度鋼、含磷高強度鋼、碳錳鋼等。先進高強度鋼主要通過相變進行強化，組織中含有馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體。先進高強度鋼具有較高的強塑積，具有更高的輕量化潛力。汽車用先進高強度鋼主要有雙相鋼、復(fù)相鋼、相變誘發(fā)塑性鋼、馬氏體鋼、孿晶誘發(fā)塑性鋼、淬火配分鋼、熱沖壓硼鋼、中錳鋼等。

1.3 按發(fā)展歷程分類

按發(fā)展歷程，先進高強度鋼可分為第一代、第二代和第三代先進高強度鋼。第一代先進高強度鋼主要以鐵素體為基體，包括雙相鋼、多相鋼、相變誘發(fā)塑性鋼、馬氏體鋼等;第二代先進高強度鋼主要以奧氏體為基體，包括孿晶誘發(fā)塑性鋼、輕質(zhì)誘發(fā)塑性鋼和剪切帶強化鋼等;第三代先進高強度鋼從多相化、亞穩(wěn)化、多尺度化等方面進行微觀組織調(diào)控，包括淬火配分鋼、中錳鋼等。

2 高強度鋼成形技術(shù)

2.1 冷沖壓成形

冷沖壓成形是在室溫條件下，利用凸模對金屬板料施加外力，使板料按照預(yù)定的形狀發(fā)生分離或塑性變形的傳統(tǒng)板料成形工藝[5]。分離工序包括落料、沖孔、剪切;成形工序包括彎曲、拉深、翻孔、翻邊、脹形、擴口、縮口等。冷沖壓成形的特點是模具工藝成熟、生產(chǎn)線成本較低、自動化生產(chǎn)效率高、零件尺寸精度高、產(chǎn)品覆蓋范圍廣，適用于車身覆蓋件、車身結(jié)構(gòu)件，如翼子板、側(cè)圍外板、地板等。冷沖壓成形技術(shù)的發(fā)展趨勢是沖壓材料由軟鋼和普通高強度鋼向先進高強度鋼擴展，沖壓設(shè)備采用大型多工位壓力機，自動化智能柔性沖壓生產(chǎn)線取代半機械化流水生產(chǎn)線[6]。與傳統(tǒng)冷沖壓相比，高強度鋼冷沖壓成形存在沖壓成形性差、回彈嚴(yán)重、沖壓模具受力惡劣等問題[7]。為了克服這些缺陷，除了優(yōu)化改進冷沖壓成形工藝，還需要開發(fā)新的高強度鋼成形技術(shù)。

2.2 熱沖壓成形

熱沖壓成形是一種將鋼板加熱至內(nèi)部金相組織完全奧氏體化后，進行高溫沖壓，并通過保溫狀態(tài)下的模具冷卻，使得零件內(nèi)部奧氏體組織轉(zhuǎn)化為馬氏體，從而得到高抗拉強度的零件加工技術(shù)。熱沖壓成形工藝原理如圖1所示[8]，主要包括落料、加熱、轉(zhuǎn)移、熱沖壓、模具淬火等。

熱沖壓成形的特點有：板材在高溫下塑性好，成形能力強;回彈小，尺寸精度高;零件成形后強度和硬度等性能大大提高，表面硬度可達(dá)到50HRC以上，抗拉強度可達(dá)到1500MPa以上;減重效果明顯，使用熱沖壓件可使板材的厚度減少30%以上[9]。

熱沖壓成形技術(shù)的發(fā)展趨勢是變厚度、變強度和低溫化。熱沖壓材料由等厚板向變厚板發(fā)展，變厚板包括軋制差厚板、激光拼焊板、補丁板等。熱沖壓零件性能由等強度向性能梯度分布發(fā)展，實現(xiàn)熱性能梯度分布熱沖壓成形技術(shù)的方法有控制鋼板初始加熱溫度、模具冷卻速度、改進模具材料和模具與成形件接觸面積等。性能梯度分布熱沖壓成形對于精確成形、輕量化、高性能、短流程、低成本、環(huán)境友好有著重要的作用，是熱沖壓成形技術(shù)發(fā)展的重要方向[10]。

與傳統(tǒng)熱沖壓成形相比，低溫預(yù)冷熱沖壓成形增加了預(yù)冷工序，如圖2所示。研究表明，采用22MnB5鋼低溫預(yù)冷熱沖壓生產(chǎn)的B柱，零件厚度分布、力學(xué)性能和顯微組織均優(yōu)于傳統(tǒng)熱沖壓工藝，同時可以降低模具淬火溫度提高模具壽命，縮短沖壓周期提高生產(chǎn)效率[11]。

與傳統(tǒng)熱沖壓22MnB5鋼相比，在獲得1500MPa抗拉強度時，中錳鋼溫成形技術(shù)的加熱溫度可降低到800℃，較傳統(tǒng)熱沖壓成形工藝降低150℃，微觀組織明顯細(xì)化，表面無明顯脫碳，塑性明顯提高[12]，斷后伸長率提高30%以上，同時提高零件的表面質(zhì)量[13]。

2.3 輥壓成形

輥壓成形是將卷材、帶材通過多組順序配置并且漸變的成形軋輥，不斷地進行橫向彎曲，加工成所需的特定斷面零件的成形工藝[14]。輥壓成形工藝原理如圖3所示。輥壓成形技術(shù)的主要特點是生產(chǎn)效率高、適合大批量生產(chǎn)、加工產(chǎn)品的長度基本不受限制、可實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)、可較好地控制回彈、成形產(chǎn)品表面質(zhì)量好、尺寸精度高、生產(chǎn)線中可集成沖孔焊接等工藝、材料利用率高，較其他工藝節(jié)約材料15%～30%、生產(chǎn)過程噪音低污染小[15]。

輥壓成形技術(shù)的發(fā)展方向有：等截面輥壓成形向變截面柔性輥壓成形發(fā)展，傳統(tǒng)冷輥壓成形向熱輥壓成形發(fā)展。變截面柔性輥壓成形技術(shù)克服了等截面零件的應(yīng)用局限，可以生產(chǎn)變截面的復(fù)雜零件，擴大了輥壓成形技術(shù)的應(yīng)用范圍。圖4是三維柔性輥壓設(shè)備，圖5是變截面柔性輥壓成形零件，零件截面尺寸在寬度和深度方向可變[16]。

熱輥壓成形工藝可以提高高強度鋼縱截面形狀尺寸精度。室溫25℃冷輥壓成形和600℃熱輥壓成形的方管縱截面彎曲度的變化對比如圖6所示。方管長度為1000mm，方管標(biāo)準(zhǔn)高度為40mm，兩端最大翹曲處與標(biāo)準(zhǔn)高度的距離即為方管彎曲度。25℃冷輥壓成形，方管兩端的翹曲高度分別為6.02mm和6.62mm;600℃熱輥壓成形，方管兩端位置的翹曲高度分別為0.74mm和0.71mm，方管縱截面彎曲度得到顯著改善[17]。

2.4 液壓成形

液壓成形根據(jù)金屬坯料的不同可分為管材液壓成形、板材液壓成形、殼體液壓成形三類。管材液壓成形一般也稱為內(nèi)高壓成形，是以管材為坯料，在內(nèi)壓和軸向補料聯(lián)合作用下，將管材成形為所需形狀的先進制造技術(shù)[18]。管材液壓成形的工藝過程如圖7所示，包括模具準(zhǔn)備、放入管件、合模、充液排氣、密封加壓、增壓成型等階段[19]。管材液壓成形以空心替代實心、以變截面取代等截面、以封閉截面取代焊接截面，與沖焊件相比可減重15%-30%，且可大幅提高零件的剛度和疲勞強度。

板材液壓成形是采用液體介質(zhì)代替剛性模具傳遞載荷，使板材在液體介質(zhì)的壓力作用下貼靠凸?；虬寄?，通過控制流體介質(zhì)的壓力和壓邊力使板材成形為所需形狀的曲面零件[20]。板材液壓成形具有成形極限高、尺寸精度高、工藝可控、制造成本低等優(yōu)點，在高精度、復(fù)雜形狀、薄壁曲面件的成形方面顯示出巨大的潛力。板材液壓成形新技術(shù)主要有徑向主動加壓充液拉深、預(yù)脹充液拉深、正反向加壓充液拉深、雙板成對液壓成形[21]、板材充液熱成形[22]、板材充液沖擊成形等[23]。

殼體液壓成形是在封閉殼體內(nèi)充滿液體介質(zhì)，并通過一個加壓系統(tǒng)向封閉殼體施加內(nèi)壓，使殼體產(chǎn)生塑性變形而逐漸趨向于目標(biāo)殼體的成形方法[24]。殼體液壓成形，也稱為無模液壓脹形，不需要模具和壓力機，是一種高柔性、低載荷、低投入、高效率的成形技術(shù)。殼體液壓成形從單層球形容器逐步發(fā)展到雙層球殼、不等厚球殼、橢球殼、環(huán)殼和多面殼體等[25]。圖8是典型的殼體液壓成形零件[26]。

2.5 變厚板

變厚板可分為軋制差厚板、激光拼焊板、補丁板等。軋制差厚板是通過實時調(diào)整軋機的軋輥縫隙，而生產(chǎn)出的一種厚度連續(xù)變化的變截面鋼板。軋制差厚板工藝原理如圖9所示[27]。軋制差厚板沒有焊縫和焊點，厚度變化均勻，表面質(zhì)量好，厚度變化區(qū)的連接強度高。軋制差厚板適用于需要局部加強、厚度減薄和提高材料等級的零件，可以使零件的重量顯著降低。圖10是五段式和三段式差厚儀表板管梁示意圖，五段式和三段式方案均能滿足儀表板管梁性能要求，五段式方案輕量化效果最優(yōu)，減重幅度達(dá)13.18%，三段式方案便于軋制及過程控制，減重幅度為8.1%[28]。

激光拼焊板是將不同表面處理、不同鋼種、不同厚度的鋼板采用激光焊接技術(shù)組合成毛坯件[29]。最初用于提供超大尺寸坯料，解決市場現(xiàn)有鋼板尺寸不足的問題。激光拼焊板可以具有不同的厚度、材質(zhì)、表面涂層，可以減少零件的數(shù)量、減輕零件的質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，提高材料利用率，增加結(jié)構(gòu)的整體性和尺寸精度[30]。圖11是采用激光拼焊板生產(chǎn)的一體式熱沖壓門環(huán)。

補丁板一般采用點焊將兩種不同形狀尺寸的鋼板進行焊接再進行熱沖壓成形[31]。補丁板熱沖壓成形技術(shù)可以在提升車身性能的同時，降低重量和制造成本，是實現(xiàn)車身輕量化的一項先進技術(shù)。圖12是采用補丁板熱沖壓成形技術(shù)生產(chǎn)的某車型前縱梁后段。

3 高強度鋼在車身輕量化上的應(yīng)用

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